環保資訊月刊

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環保資訊月刊 第51期 2002年07月出刊

【專題】 送風機噪音之探討與控制
送風機噪音之探討與控制

    

林啟修

中鼎工程(股)公司

   環工專案噪音防制組組長

 

一、送風機噪音之肇因與特性

送風機噪音的產生主要是由於翼輪轉動引起氣流擾動所致,不同型式送風機噪音量一般可經由相關參數如:風量、靜壓、馬力及葉片尾端速度等合理估算出來。另外也可以利用標準測試方法(可參考AMCA Std 300、CNS 7779、JIS B8330等)來求得送風機音能位準。不同型式送風機噪音中均含有程度不等之純音(pure tone),該頻率稱為葉片頻率(blade frequency),葉片頻率計算公式為翼輪數目x翼輪回轉速/60。葉片頻率經常會伴隨著其他階諧波純音出現,純音的發生主要是因翼輪每次轉動時空氣動力引發之壓力波動,以及翼輪通過機殼渦卷部切斷處時突然之壓力變化或脈衝波所致,當翼輪與渦卷部間隙愈小,則純音尖峰值也會降低。通常如果設計及製造皆很精良,噪音特性是不會受送風機幾何之些微改變而有明顯影響。不同型式送風機噪音特性如下:

  1. 翼形或後向送風機:噪音低且頻率平坦,葉片頻率不明顯,其增量在3dB。

2. 徑向送風機:葉片頻率非常明顯,其增量在5~8dB。

3. 前向送風機:噪音較後曲式者大,葉片頻率成份較低,其增量在2dB。

4. 翼軸式軸流送風機:噪音量略高於離心式,葉片頻率非常明顯,其增量在6~8dB。

 5. 管軸式軸流送風機:噪音量略高於翼軸式,葉片頻率非常明顯,其增量在6~8dB。

6. 螺槳式送風機:頻噪音成份非常嚴重,葉片頻率增量在5~7dB。

依理論或標準測試方法所得之音能位準,並未將實際管路系統影響考慮進去,當系統阻力曲線與送風機性能曲線交點(即運轉點)偏離最高效率點時,所產生噪音量將會變大。噪音增加量視送風機操作靜壓效率(=靜壓空氣動力/軸動力)而異(如表1)。

1. 送風機噪音靜壓效率修正值

靜壓效率(%)

修正值 (dB)

90~100

0

85~89

3

75~84

6

65~74

9

55~64

12

50~54

15

 

 

二、送風機噪音對環境之影響

送風機噪音對環境影響範圍會因送風機用途不同而異,不論是導入乾淨空氣或是排出使用過廢氣,都有一端需與大氣直接接觸,使得噪音會由此端傳出而造成影響。針對壓力送風機而言,因排氣口端與管路系統連接,噪音經由管壁穿透之輻射量遠低於進氣口端直接傳出之音能。因此壓力送風機必須考慮置於獨立機房或是加裝消音器,否則送風機周圍作業環境音量是很容易超過90分貝而直接影響到操作人員。

當送風機做為誘引通風連接至排氣煙囪時,通常送風機周圍作業環境音量影響並不是主要問題,反倒是送風機排氣口端因內部音能直接經管道傳至煙囪,並由煙囪口擴散至外界,這個部份常會被現場操作人員忽視。由於煙囪高度往往高達數十公尺而超過其他鄰近建築物高度,使得由煙囪口擴散之噪音在毫無阻擋遮蔽情況下可以傳至更遠的地方,尤其是葉片頻率所引起之純音並不易被其他頻帶聲音掩蓋(masking)。

 外工業或冷凍空調冷卻系統使用之冷卻塔亦是眾多風機噪音問題之一,且出現頻率甚高。冷卻塔噪音包括頂部排風扇及塔內部落水聲兩部份,就普遍使用之向流式或直交流式冷卻塔,所採用之排風扇不外乎軸流式及螺槳式兩種。其噪音值與風扇直徑、尾端速度、葉片形式、葉片角度、入口狀況及馬力等有關。而落水聲是屬於平緩無明顯突出頻率之寬頻噪音(broad band noise),通常較不會產生噪音困擾,甚至可以掩蓋部份風扇噪音,使得純音聽起來不會特別明顯,不過此現象僅局限在離冷卻塔較近區域,至於更遠處風扇噪音仍是主要噪音源。

除藉由空氣傳播噪音外,125Hz以下之低頻部份受振動影響極大,一旦送風機未做好翼輪動平衡校正、馬達平衡及傳動軸對心等項目,或者管路沒有與送風機適當防振隔離時,將會影響振動量並傳遞至管路,導致在63及125Hz處音能增高產生額外之低頻噪音,此時如果送風機或管路鄰近辦公室或控制室等工作場所,其所產生之固體音將干擾到工作者。 

三、送風機噪音之控制與預防方法

送風機噪音控制基本上可以從音源本身及傳遞路徑兩方面著手,前者包括選用適合之送風機及正確系統設計,理想的送風機及其安裝應在設計階段即同時考量,並設法將噪音降低至最小程度,及對鄰近結構物之影響。如果設計時選用不當而至安裝後才來修改系統以降低噪音,一般而言是有困難而且所費不貲。而就傳遞路徑之控制則是針對送風機本體、進排氣口端及管路系統等部份,採用各種吸音、隔音及防振等被動式或主動式噪音控制措施。

(一)  風機設計及選用

通常送風機在最高效率點下所產生噪音量最小,因此在規定性能下以最低軸動力作為選擇基準,則最佳效率之送風機通常是尺寸較大者;另外翼輪轂相對於送風機直徑之比值亦為影響送風機效率要素,在相對較低靜壓下,就大風量而言,直徑最小之翼輪轂其葉片長度最長是最有效率的,而對於高靜壓送風機,使用直徑大之翼輪轂及較短葉片是必要的。

空氣比重量也是影響送風機性能因素之一,一般廠商所刊印之送風機性能曲線是在標準空氣(或稱標準狀態)下,當送風機在較高海平面或是較高溫度操作時,將因空氣比重量改變而影響性能。尤其在高溫環境下操作時,其選用馬達動力必須要足以克服在低的操作溫度時所增加之荷重。

另外AMCA Pub.302針對不同室內用途之響度(loudness)建議值(如表2),也可提供給系統設計者在選用送風機時之參考。須注意的是表中數值並不能直接引用做為送風機噪音級,而還要考慮室內環境所造成之音質(acoustical qualities)結果。

2.  室內響度建議值

響度單位Sones

dBA

室   內   用   途 

1.3~4

32~48

私人住戶(農村及郊區)

1.7~5

36~51

會議室

2~6

38~54

旅館飯店房間、圖書館、電影院

2.5~8

41~58

學校教室、醫院病房、手術室

3~9

44~60

博物館、公寓、私人住戶(市區)

4~12

48~64

餐廳、大廳、一般開放辦公室、銀行

5~15

51~67

走廊、盥洗室、酒吧間

7~21

56~72

旅館飯店廚房、洗衣房、超級市場

12~36

64~80

輕機械工場、組裝線

15~50

67~84

機械工場

25~60

74~87

重機械工場

(二)  正確的系統設計避免亂流產生

理想情況下氣流進入送風機應為等速流,因此管路應避免90°彎管而改採弧形彎頭並增加導風板,進、排氣口端風阻應愈小愈好。任何肘彎、漸變段、擋鈑或其他阻礙物均會產生變速流,而造成送風機額外負荷並降低效率。特別是不良的吸入口情況會造成氣流在進入扇葉前就形成亂流,導致噪音變大且葉片頻率會更顯著。因此就送風機進氣口部而言,不論其有無接管,均須保留至少一倍送風機直徑之直管距離或淨空間;而就排氣部而言,如為接管情況,須保留至少三倍風機直徑之直管距離,如為無接管情況,則須保留至少兩倍風機直徑之淨空間。

再者,軸流送風機出風方向如氣流由馬達流向葉片(Form A)會比氣流由葉片流向馬達(Form B)有較大噪音值,主要原因為馬達會造成亂流之故,這也是系統設計者經常會疏忽而容易發生錯誤之處。因此當兩部軸流送風機串聯運轉時,音量將會因送風機出風方式組合不同而異,其中Form B/A增加4dB,Form B/B(或Form A/A)增加6dB,最差情況為Form A/B將增加10dB。

(三)  調整壁面外氣吸入及排氣百葉開口位置

利用聲音具指向性特徵來降低送風機噪音對敏感受音點影響是較經濟而有效的方法。避免送風機進、排氣口端或是壁面外氣吸入及排氣百葉開口位置,直接朝向敏感受音點而調整適當角度,尤其開口尺寸愈大或是中高頻率部份噪音,是可以達到某種程度效果。不過當波長大於開口尺寸時,開口輻射噪音將趨向於無指向性,則利用這種方法來降低音量影響效果就不明顯。

(四)  排氣口或進氣口加裝消音器

在送風機進、排氣口端加裝消音器可避免噪音由管路傳出,安裝位置愈靠近送風機愈佳,但仍應避免太過靠近以免氣流通過消音器時形成變速流,導致噪音變大反而降低消音器原有之減音性能。不過就軸流送風機而言,於排氣口端加裝圓筒型消音器,其內部中心吸音柱除可吸收噪音外,另可減少氣流通過馬達後端產生之亂流現象。

因應不同送風機噪音特性在選用消音器型式上須特別注意,消音器型式分為吸收式、反射式(又稱共鳴式或調音式)及混合式,如果是徑向送風機因葉片頻率非常明顯,應使用後兩種消音器以有效降低葉片頻率噪音。消音器雖然有一定程度功效,但相對地較佔空間且成本也高。某些送風機製造廠已運用消音器構造原理於風機機體中,將機殼鋼鈑加厚並內襯2"以上吸音材及外覆沖孔鈑。音閘型(sound trap)機體長度較標準型略長,可降低送風機進排氣口端音量,此外不會造成額外壓損。當不適合安裝消音器時,則必須考慮在管路上使用防音包覆(acoustic insulation)方式,如果須要達到相當程度之控制,則送風機機殼也可能需要圍封(enclosure)或包覆。

(五)  風機及管路防振措施

基座安裝防振器可避免振動經由樓板及牆壁傳遞至結構引起固體音,在選用防振器尺寸時須考慮因壓力變化產生之推力載重(thrust load),一般隔振應用上最低限度之隔振效率訂為70~80%,標準為80~90%,而在極為嚴苛環境下甚至可要求至95~99%。常用之防振器包括:防振橡膠、防振彈簧、空氣彈簧。另外與送風機相連接管路也應使用撓性接頭及具彈性之支撐方式,特別是當管路固定於鋼構上時。須注意的是進氣口端與管路間之撓性接頭應鬆緊適度,太緊容易使接頭損壞降低隔振效果,太鬆或過長之撓性接頭會造成收束(necking)阻礙空氣通路,降低風扇性能並增加噪音及振動。另外須注意的是管內噪音極容易由撓性接頭處傳出,因此須考慮使用防音包覆方式隔音。

(六)  主動式噪音控制

主動噪音控制基本概念是利用一個聲源在聲場中產生破壞性的干涉來抵消另一個聲波,亦即產生一個反相的聲波。理論上可以針對任何聲波,但以現行技術及應用上主要是針對600Hz以下之低頻噪音。其特點為背壓小省能源,比共振式甚至吸收式消音器有較小之體積且重量較輕。但缺點是如果氣體是高溫且具腐蝕性時,則煙囪內使用之喇叭更換頻率便會提高;而如果是設置在戶外時,必須考慮風雨、紫外線及鹽害等影響,相對的保養費用會比被動式消音器高。目前在國外已成功應用於空污防治設備中後段誘引式抽風機,可將從煙囪口傳出之120Hz單頻噪音減音達32dB。

(七)  保養

系統定期保養對於防止送風機噪音惡化是非常重要的,許多噪音問題追溯其原因常是因為送風機內部機件如:軸承磨損。翼輪腐蝕或損害導致動平衡失調,或是氣流中含有粉粒等物質沾粘附著在翼輪上等。另外原有加裝之消音器也可能因損害、腐蝕或是粉粒阻塞吸音材而降低原有功能。 

四、 送風機噪音控制之效益

「高噪音代表低效率亦即浪費能源」,如何選擇最有成本效益之送風機往往基於設置預算及增加能源成本的考量而面臨兩難。到底是要一個初設成本較低的送風機,而相對地有較高之能源損耗,或是初設成本較高但能節省能源之送風機?根據經驗選擇後者通常在一定期限內便可將初設所增加之成本費用彌補回來。

另外送風機使用消音器所導致能源損耗極少會被正視,風量Q與壓損值ΔP之乘積代表功率損耗(即轉換成熱)及成本浪費。因此就設計年限期間所造成成本增加,通常是遠超過設置消音器費用。因此如何規範消音器壓損值取得最低之總成本是非常重要的。所謂總成本應包括採購安裝消音器之費用(此部份會因提高容許壓損值而減少),以及操作消音器導致部份能源損耗之費用(此部份會因提高容許壓損值而增加)。

既然消音器對於送風機噪音控制之成本效益是不容忽視,因此從省能觀點來看,選用消音器時應避免只以八音度頻帶中單一頻率減音需求為基準,而是在各種適合的消音器(不同種類、型式、長度等)中,選擇所有八音度頻帶能提供適度而不過當之減音量才是最有利的,否則可能會導致其他頻帶過當減音,以及產生過大的壓損值,就長期成本而言也會相對地增加。 

五、如何促使中小型工廠採用送風機噪音之控制與預防技術

事前預防勝於事後補救,而且花費成本相對的也較低。因此建議在採購送風機合約中,應規定製造商須提供進、排氣端八音度頻帶音能位準,這對於專業之送風機製造商而言是做得到,也是對產品品質的保證。至於被用來規範距設備1公尺處之音壓位準值則只能做為參考之用,因為絕大部份情況下,送風機噪音問題經常是發生在連接管路系統上,而不是在靠近送風機本體周圍。根據廠商提供之八音度頻帶音能位準,使用者可委請專業噪音防制公司進行相關環境音量評估,並依照前面所述控制技術採行必要之預防措施;某些送風機廠商在這方面也能提供服務,甚至於檢視整個管路系統以確保風機實際操作時之最佳效率。

針對冷卻塔送風機噪音預防控制方法就是遠離受音點,或是在其四周設置隔音牆,惟須確保外界空氣流動不會受阻,以及進、排氣流不會產生短路循環現象而降低冷卻效率。如果隔音牆方式不允許時,則唯一可行方法就是將螺槳式風扇換成軸流式,並考慮加裝吸收式消音器來降低噪音。因為使用螺槳式風扇一旦造成噪音問題時,幾乎不可能使用傳統消音器來降低風扇噪音,其主要原因是加裝消音器所額外增加之壓損,通常會超過風扇所能承受之值。不過如減音需求不大時,是可以經由降低馬達轉速及調整加大送風機葉片角度來達到減音目的。國外送風機廠商大多建議以使用較多葉片或是變極馬達、變頻器等方法,來降低轉速進而達到減少噪音的目的。

在安裝新送風機時應檢查軸封部及進氣口錐與翼輪間隙部,確認未因外力變形而造成磨擦,並做好翼輪動平衡校正;啟動如發現噪音過大,應確認轉向、電壓、風量及轉速是否正確,以及有無振動現象;運轉期間應定期施以軸承潤滑保養及清除翼輪上之塵垢,以免翼輪發生不平衡現象。一般專業送風機製造商均備有完整安裝技術手冊及狀況排除指南,可供使用者在送風機噪音預防上之參考。 

六、結論

以噪音防治角度來建議使用何種送風機是最好的是很困難,因為就各種應用場合都有其特定的需求要被考慮,而最好的送風機就是依據這些特定條件來選定。一旦這些特定的需求都符合,則送風機的型式、大小及速度就完全決定,其噪音特性也就確定了。所以絕大部份情況下,要更換一較大而轉速低之送風機來降低噪音並不切實際,因為一個低噪音設計之同型送風機可能就無法符合其他操作規範需求。在此情況下唯有藉由良好的配管設計,確保選用送風機之運轉點不超出系統最佳操作區間,才能有效地完全掌握送風機噪音問題,否則等到實際運轉後面臨的將不只是超乎預期更嚴重的噪音污染,還可能是影響系統之效率及能源問題。

 

七、參考文獻

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